元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态。随着“碳达峰、碳中和”目标与建设新型能源体系的提出，在元宇宙环境下建设电力系统是未来发展的趋势。以物联网、区块链、数字孪生、混合现实等技术为主要代表的元宇宙技术体系及其在电力和能源系统中的应用，将会促进智能电网的发展，为建设新型电力系统提供重要支撑。本栏目总结元宇宙在电力和能源系统中的重点应用场景及技术，介绍电力系统元宇宙的国内外发展现状及应用案例，分析电力系统元宇宙的未来发展趋势及面对的挑战，可为相关专题的决策、技术研究和应用实践提供参考。

一

元宇宙在电力和能源系统中的重点应用场景及技术

>>能源区块链与去中心化能源市场

1、能源区块链

能源区块链是区块链与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展的一种新形态。能源区块链的应用思路可以分为商业应用和技术应用两大类。

（1）商业应用

当前大多能源区块链的应用研究是利用区块链解决能源行业中的商业问题，提升能源行业效率，主要应用领域包括虚拟挖矿、能源计量、虚拟能源货币、能源交易、能源企业管理、能源金融等方面。

1）虚拟挖矿。在可再生能源电厂附近建设数字货币的“矿场”，利用廉价的可再生能源发电来“挖矿”，就相当于完成了能量“瓦特”到信息“比特”的转换；通过信息传输替代能量传输，既可解决新能源发电消纳问题，又能将数字货币销售创造外汇。

2）能源计量。基于区块链的能源计量，可为电力交易、碳交易、绿证交易、能效管理（审计）、新能源补贴、节能服务等能源相关业务及其衍生品提供具有公信力的计量数据，有效减少能源衍生品业务在不同主体之间的审核流程，大幅提高业务效率、降低业务成本。

3）能源货币。区块链作为数字货币的底层技术，是当前实现虚拟能源货币最理想的选择。例如，可将能源服务所创造的价值Token化，通过以区块链发行的虚拟能源货币作为能源互联网价值传递的媒介，虚拟能源货币作为能量当量价值的实现载体。

4）能源交易。因不同能源的运输方式不同可将能源交易分为物流类和计量类。石油、煤炭等能源的交易属于物流类交易，存在流程长、效率低和成本高等问题。区块链可在合同、物流票据、供应链溯源等方面得到应用。电、热等能源的交易属于计量类交易，电力交易涉及信息发布、竞价撮合、签约、支付、计量、清结算、市场监管等诸多环节，这些环节均存在信任问题或效率问题，可结合区块链来提升可信度或效率。

5）企业管理。随着“互联网+”业务的开展，能源企业可将大量业务从线下转线上，但是线上业务面临着严峻的数据信任问题，可通过将业务数据上链来有效解决这一问题，在财务管理、合同管理、物资管理、安监管理、对标管理、政务服务、证书管理等各类存证类场景有望得到应用。

6）能源金融。能源电力行业属于重资产行业，能源金融通过能源资源与金融资源的整合，实现能源产业资本与金融资本不断优化聚合，从而促进能源产业与金融业良性互动、协调发展。

（2）技术应用

区块链可实现大规模协作，具有分布式计算和分布式存储能力，且安全可靠、高效，可以重构未来能源信息物理系统。区块链可应用于能源信息物理系统的信息基础设施、控制执行、网络安全等方面。

1）数据存储。目前广为采用的数据存储方式是中心化的，存在用户隐私泄露风险、成本高等问题。区块链具有不可篡改、安全可信的特点，数据存储可望逐步从关系型数据库、非关系型数据库迈入安全可信的区块链数据存储时代。

2）分析计算。能源系统的生产、运行、调度、分析等都需要大量算力，目前主要通过昂贵的数据中心来提供。如果能够将比特币、以太坊等区块链的算力应用于能源系统，有望大幅提升能源系统分析的计算效率、降低算力成本。

3）智能执行。将区块链与物联网技术相结合，可实现智能设备民主自治，无需人为干预。传统的能源系统自动执行主要针对只考虑物理属性的自动化系统，社会经济对能源系统的影响已引起学者关注，而基于区块链的智能合约的执行则同时兼顾设备的物理属性和经济属性。

4）网络安全。区块链可应用于能源系统的身份认证、隐私保护、安全审计、域名安全等网络安全场景。另外，区块链共识算法具有兼容网络故障、节点故障、恶意节点等功能，可通过消耗更多的网络通信资源以获得更好的网络安全性能。

2、能源DAO

DAO是一种利用区块链技术、自动执行规则协调运行、无集中领导的组织形式，具有透明可信、运行经济、协调高效的特点。能源DAO从功能上可分为技术支撑、管理运行、激励机制、组织形式以及商业模式五个部分。

（1）能源DAO

能源DAO与零售商、虚拟电厂、负荷聚合商的目标类似，都是整合需求侧资源参与电力市场的商业组织。它们之间的主要区别如表所示，主要包括组织形式、数据生产、数据交易、激励机制四个方面。

表 各类商业主体特点

DAO的商业模式主要针对DAO在市场中与用户以及其他主体的关系。能源DAO可与电力系统的调度、市场、大数据等软件平台直连。能源DAO的商业模式可以从以下三个角度分析。

1）在资源方面，能源DAO包含物理系统中的需求侧资源（如电动汽车、储能等）以及元宇宙的虚拟数据资源两种。前者可用于参与电力市场和碳市场，并形成具体用户的历史数据；后者则融合现实世界与虚拟世界的用户历史数据形成用户数据资源，并参与数据交易。

2）在信息流方面，能源DAO根据算法和智能合约确定参与的市场类型以及需要提交的竞价信息，从相应市场运营商获得交易结果后基于智能合约执行，并将执行情况和资金情况存储到能源DAO的区块链中。

3）在资金流方面，实际完成交易后，由市场向能源DAO账户转入/转出资金，DAO执行智能合约，然后按照预定规则将收益/账单分配给相应用户。

（2）面向需求侧资源的能源DAO案例

在实际运行的能源市场中，尤其是对于需求侧资源，零售商和负荷聚合商因为信息不对称和激励不相容等问题无法满足用户利益最大化。能源DAO以去中心化的算法规则构建新的虚拟经济体，可最大限度地从根源上提升用户利益。

下图所示的具体案例详细介绍用户如何通过能源DAO参与电力市场、碳市场和数据交易，以最大化自己的效益。在该图中，蓝色实线表示信息流，红色实线表示资金流，橙色实线表示对象之间存在智能合约。

图  面向需求侧资源的能源DAO案例

>>数字孪生电网

数字孪生电网是在数字空间创造一个与物理实体电网匹配对应的数字电网，通过全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测反映物理实体电网在现实环境中的状态，进而推动电网全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、电网运行管理协同化和智能化，实现物理电网与数字电网协同交互、平行运转。

1、总体框架

数字孪生电网总体架构布局由智能基础设施、智能信息中枢和智慧应用场景构成，如图所示。

图  数字孪生电网总体框架

2、运行模式

数字孪生电网运行模式如图所示。

图  数字孪生电网运行模式

在物理实体电网形成全域数字化标识，为实现数字孪生电网与物理实体电网信息精准匹配、连接和管控提供了前提条件。

在数字空间形成以数据资源体系、数字孪生模型和机器智能平台构成的电网大脑。全域全量数据资源体系是构建数字孪生电网的基础。实时映射的数字孪生模型是数字孪生电网的核心，通过加载全域全量的数据资源构建电网多维数据空间，利用建筑信息模型(BIM)和工程信息模型(EIM)构建电网的数字画像，在数字空间模拟仿真组建出虚实映射的设备、子系统和电网数字孪生模型。智能分析平台为数字孪生电网提供智能运行决策，通过构建融合“大云物移智链”等先进技术的深度学习智能分析平台，应用机器智能算法，对数字孪生模型进行数据分析、仿真计算，并实时反馈给数字孪生模型，对模型优化演进，形成一种自我优化的智能运行模式。

3、价值体系构建

以数字孪生电网为基础，充分发挥运行知识与人工智能的双向互补作用，通过数字化输电、数字化变电和数字化配用电全方位支撑复杂电网的高效可靠运营。同时，以数字化电网运营为原点向外延伸，引领和带动工业互联网及城市建设等多领域的数字化升级，从而进一步释放数字孪生电网的潜在经济价值与社会价值。

>>电力系统操作员培训

由于电力系统的结构复杂和对安全性要求高，使用真实的电力系统来培训调度员几乎是不可能的。因此，调度员培训模拟系统（DTS）的建设十分重要。而元宇宙技术有着场景感强、交互性强、知识转化率高等优势，其在电力系统调度员培训领域的应用有着极高的可行性和巨大的潜在价值。

1、电力系统元宇宙培训的发展

“元宇宙培训”发展的第一阶段，便起源于电力系统调度员培训模拟系统。“元宇宙培训”发展的第二阶段，得益于VR技术的发展和普及。“元宇宙培训”的第一、第二阶段，虽然解决了高危险性、高成本培训的仿真培训问题，但在学员视界环境、动手操作体验等方面与实际操作还有较大差别，无法实现真正的沉浸式培训。

“元宇宙培训”的第三阶段将会引入目前蓬勃发展的混合现实技术（MR），有望进一步增强培训的沉浸式体验。MR培训的意义主要包括以下三点。

1）打破时空束缚。MR培训可以将传统的集中式培训变为分散式、预约式培训，从而打破时空束缚，减轻生产一线用人压力。学员可在规定时间内预约培训，利用虚拟技术实现无实物实操，远程虚拟直播，AI全过程指导、评估，真正使培训不受时间、空间的限制。

2）降低培训安全风险。MR培训可以逼真地模仿带电生产环境，在降低培训安全风险的同时，还可以在学员操作错误的情况下使学员亲身体验安全事故，加深安全教育印象。

3）提升培训效益。MR培训可以减少培训对大型设备和高成本耗材的投资，显著降低培训成本。高度真实和智能的沉浸式培训体验，可以强化学员的专注力，提升培训效果，压缩培训时间。

2、电力系统元宇宙培训的可行性

（1）技术可行性

元宇宙的相关技术已经逐渐成熟，各类VR/AR游戏场景层出不穷，感官体验不断提升。据预测，2022年全球VR/AR用户将会突破25亿。Facebook、Google、微软等巨头也纷纷发布了自己的VR/AR头盔产品，VR/AR技术已经在市场化方向迈出了坚实的一步。元宇宙相关技术正以惊人的速度发展，更大规模的市场也逐渐孕育。

电力系统信息化数据充足。近年来，电力行业的信息时代正处于关键转折点。随着智能变电站系统、现场移动检修系统、测控一体化系统、GIS、智能表计等一系列智能化系统的建设，电力行业正步入到由复杂及异构数据源广泛存在和驱动的时代。打造元宇宙环境的基础数据源已经具备。

（2）经济可行性

目前，电力行业经济效益较好，对于电力系统数字化、智能化投入逐渐增大。元宇宙技术在电气系统调度员培训中还展现了极强的经济性，无需真实故障场景，只需要进行仿真实际和元宇宙环境搭建。对于电力系统而言，元宇宙技术既能减少不必要的成本支出，又能提高调度员的调度水平。

（3）政策可行性

最近几年，工业互联网在传统行业发展得如火如荼，电力行业的智能化与数字化取得成效。企业、院校加快推进互联网、虚拟现实、大数据、人工智能、元宇宙等技术在电力行业中的应用，打造具有自主需求的智能电网。

二

元宇宙技术在电力系统的应用案例

>>南网数字孪生电网

1、南网智瞰

南方电网数字孪生电网技术的应用，主要体现在“南网智瞰”。南网智瞰，是实现“全网一张图”的门户及应用，基于南网公司数字化技术基础平台和数字孪生技术，融合地理、物理、管理和业务信息，建立动态鲜活电网，提供灵活组合共享服务模式，快速响应上层业务应用的平台。融合了关系、图、三维的电力领域数据建模技术，构建了覆盖设备全要素、全时空的数字化模型，覆盖源网荷储，支撑全域物联的透明管理。

目前南网智瞰平台，累计接入地理要素超245万，管理源网荷储2000多种设备类型共1.2亿台设备设施、超10亿设备台账，接入约570亿条实时数据，实现186万配电变压器负荷精细化管理、分界点精益线损分析。上线配电网规划、九防管理、线损异常分析等9个典型应用场景，支撑配网规划、电网管理平台、智能台区等13套业务系统图形应用。

2、南网调峰调频公司生产业务数据集成及多维展示

南网调峰调频公司基于“南网智瞰”，通过将发电生产领域帐卡物一致性管理、缺陷管理、发电设备状态监测等应用的数据进行集成，探索涵盖机组启停状态、可靠性指标、电量统计、缺陷统计等业务场景的数据多维立体融合分析展示。

以清远抽水蓄能电站为试点，开展抽水蓄能电站三维建模与可视化的研究及应用，为进一步的数据分析和管理及相关决策优化等应用系统提供三维可视化平台支持。以设备为中心，串联生产管理主要业务活动，彻底消除数据孤岛。

3、输电三维数字化通道

三维数字化通道，是数字输电的典型应用，以南网智瞰地图服务为基础，通过激光建模技术、模式矢量化技术开展架空线路信息建模，信息模型融合在线监测、机巡等数据。目前全网已完成500kV及以上线路数字化通道建设5.7万公里，500kV及以上线路外部隐患风险点安装智能终端3700余套，输电线路无人机巡视80.8万公里，机巡业务占比首次超70%。

4、昆柳龙直流工程数字化建设

南网超高压公司依托世界首个特高压多端混合直流——昆柳龙直流工程开展“数智管控”研究工作，形成了南网跨区域输电工程基建“数智管控”典型案例。

昆柳龙直流工程打造了电网工程数字化资产全生命周期管理，服务全域上层应用，以设备为核心，精准关联工程属性、设计属性、设计图纸、现场照片、台账层级结构，并在竣工投产阶段全面接入调度实时运行、生产在线监测、周边气象环境等动态数据，解决特高压复杂电网数字化建设难题，在新型电力系统建设具有重要的推广意义。

5、200kV大英山数字孪生变电站

220kV大英山数字孪生变电站，是基于统一数字电网模型开展的物理电网“孪生”数字电网实践案例，全面融合海南数字电网平台，实现生产运行状态实时在线测量，物理设备、控制系统和信息系统的互联互通。同时贯通主配网动态拓扑，支撑全电压等级全链路的电网拓扑分析。

>>国网数字孪生电网

1、设备级：数字孪生开关站

国网雄安新区供电公司构建了与雄安市民服务中心开关站虚实同态的数字孪生开关站：在三维模型的基础上引入监控视频流，实现虚实结合，全方位掌握开关站的现场环境信息。在三维模型上加载设备档案信息以及实时运行数据，实现电气设备运行状态的远程实时监测。具有VR端、PC端两种虚拟巡检模式，可供工作人员灵活选择。基于数字孪生开关站开展远程虚拟巡检，可实时掌握电力设备的现场环境和运行状况，能有效减少巡检工作的人力、物力以及时间成本，同时还可解决快速查看现场以及重要保电任务中部分关键电力场所无法直接值守的问题。

2、单元级：数字孪生微电网

国网雄安新区供电公司基于GIS、BIM、倾斜摄影以及电力物联网等技术，在雄安新区王家寨构建了数字孪生微电网，实现了对该微电网的全景监测、状态评价等功能。通过数字孪生微电网的全景监测功能，可准确掌握微电网各设备的运行状态，从而实现虚拟巡视功能，在提升运维效率的同时降低人力成本投入。

3、系统级：数字孪生综合能源系统

数字孪生综合能源系统能够基于各建筑的用能数据，对其进行能效分析，进而为能源的精益化管理提供科学依据。另外，数字孪生综合能源系统还能够对区域内的用能负荷进行预测，并根据预测结果制定合理的机组启停策略，以达到节能减排、降本增效的目的。

>>国网区块链

国家电网公司将区块链技术应用纳入泛在电力物联网建设重点任务，成立了区块链专业公司——国网区块链科技公司，加快推进区块链核心关键技术研究、公共服务平台构建等，促进电网数字化转型发展。

国网区块链科技公司基于自主研发的区块链底层技术服务平台，在新能源云、电力交易、优质服务、综合能源、物资采购、智慧财务、智慧法律、数据共享、安全生产、金融科技等十大场景形成了具备典型性、高可行性的区块链技术解决方案。目前，十大典型场景已在适应能源变革、优化营商环境、提升服务水平、提高协同效率、强化安全保障等方面取得了良好效果。

>>联想研究院推出智能巡检解决方案

2022年8月19日，联想面向电力行业推出了全新电力巡检方案——联想晨星电力智能巡检解决方案。该方案针对行业痛点，将为用户提供“联想晨星智慧狗（Daystar Bot Q1）+巡视管理平台+巡视系统”一站式定制化巡检服务。

目前，该方案已经在国网河北落地，实现全地形巡检、3D自主导航、远程协作、机械臂辅助操作、自动充电等功能。不仅满足复杂应用场景中对多变环境和拓展模块的需求，还在提升生产效率的同时降低人工作业风险。

>>日本北海道电力公司在火力发电站使用MR（混合现实）巡检应用程序

2022年7月，日本北海道电力公司与埃维诺公司合作开发的MR巡检应用程序正式在辖区内的火电厂使用。该MR巡检应用程序，以微软最尖端的MR设备“Microsoft HoloLens 2”为基础，适配在火电厂中使用的头盔一体机“Trimble XR10”，可以为巡检人员提示巡检路线和设备细节。

>>德国公司EON推出增强现实与虚拟现实教学产品助力电厂操作员培训

EON通过对发电厂进行详细建模，构建了一个等比例全尺寸的VR发电厂复制品，详细模拟了其中每一个设备的工作细节。该发电厂业务人员只需要佩戴VR设备就能在远程进行受训。EON公司还提供了基础教育、职业教育、远程实验培训、远程维护等多种增强现实或虚拟现实教育产品。

三

电力系统元宇宙的未来发展趋势及面临的挑战

电力系统元宇宙面临的挑战和发展趋势可以从虚拟电力系统、虚实交互系统、智能分析系统和人机交互系统四个方面进行分析。

>>虚拟电力系统

虚拟电力系统的更新和安全是运行虚拟电力系统的两大研究挑战。虚拟电力系统的更新又分为2个方面的难点：收敛率和更新率。对于虚拟电力系统的更新难点，有2个潜在的解决方案：1）建立硬件环测试床来验证更新算法的准确性；2）成立专家委员会制定虚拟电力系统相关标准。此外，虚拟电力系统作为电力系统元宇宙的基本要素，它也会有被恶意攻击的风险，因此能够同时保证现实电力系统和虚拟电力系统安全的加密技术是未来的研究趋势。

>>虚实交互系统

电力系统元宇宙同时拥有现实电力系统和虚拟电力系统，因此将会产生海量数据，亟需开发能够对现实电力系统和虚拟电力系统的海量数据进行管理的先进数据管理技术。针对这一问题主要有数据集成角度和应用需求角度2个潜在的解决方向。

>>智能分析系统

如今大多数人工智能算法主要对现实数据流进行分析，然而电力系统元宇宙有现实数据流和虚拟数据流，因此未来关于智能分析系统的研究需要解决如何合理地对现实数据流和虚拟数据流进行分析的问题。针对这一问题，有文献提出了一种平行学习框架，分为训练阶段和实施阶段。

>>人机交互分析系统

人机交互系统的研究挑战主要是XR设备和全息投影设备的研究挑战。对于VR设备，通信是主要问题。对于AR技术，追踪精度和有效视野是主要问题。MR设备是VR设备和AR设备的集成体，因此通信、追踪精度和有效视野都是MR设备进一步发展需要克服的难题。

全息投影虽然能实现电站环境的虚实融合，将电力系统的运行信息进行泛在可视化，但是全息投影目前仍存在分辨率低、显示尺寸小、移动性差和成本高4个方面的弱点。克服这些弱点后，全息投影便有机会大规模应用在现实电力系统中，进一步推动电力系统元宇宙的发展进程。

内容来源于《电力技术情报》，为原文缩编版，如需获取完整刊物或原文，请访问“南网内网4A门户-南网知识共享服务平台”或“南网eLink-工作台-南网知识星球”。

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